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[阿什卡咖啡馆] 石油有机成因假说已经被证伪?

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发表于 2019-4-14 11:32:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

品质源于技术 服务源于态度

这是阿什卡微信公众号的第633篇原创文章

首发于2019年4月13日



科学网博客上发表了一篇题为《石油有机成因假说已经被证伪》(以后简称“《证伪》”)的文章。这是根据一次采访内容整理而成的,受访者是大庆勘探开发研究院的崔永强博士。

有机说、无机说之争由来已久。有机说诞生比较早,但人们对它的质疑从未停止。

1

如果从俄国化学家罗蒙诺索夫1763年提出石油是煤干馏产生的观点作为最早的有机成因理论开始算起,至今已有二百多年;如果从门捷列夫1876年提出无机成因假说,从而开始石油成因理论的大争论算起,至今也已一个多世纪了。

从20世纪60年代开始,有机生油说取得了长足发展。大量新的分析实验技术引入有机生油研究领域,在分子级的水平上查明了石油及沉积有机质的组成和分布特征,建立了具有普遍意义的沉积有机质热演化成烃(油气)模式,取得了油与烃源岩之间有着“可靠的”成因联系的证据,从而在70年代创立了科学的有机生油学说——沉积物中不溶有机质干酪根热降解成烃(油气)学说。在此基础上,,相应产生了一系列实用的找寻油气的可靠指标(找矿准则),其中最基本的一点就是:有机质丰度高的优质成熟--高成熟烃源岩发育的地区必然是找寻大油气田的有利场所。这一生油学说在实践层面取得了丰硕成果,成为石油地质科学的基础理论之一,也被越来越多的有机地球化学家、石油地质学家和勘探家所接受。

无机成因说现在大致有三种假说:地幔脱气论、中地壳与费-托合成说、板块构造与费-托合成说。

地幔脱气说是美国美国康奈尔大学的天文学家Gold等依据太阳系、地球形成演化的模型,认为地球深部存在着大量的甲烷及其他非烃资源,这些甲烷在地球形成时就已存在,大量还原状态的碳是在地壳深部被加热而释放出来的。经过地质历史时期的种种变化,这些甲烷向上移动,并大量聚集在地壳深度15 km左右地带,形成无机成因的油气藏。地幔脱气说对天然气的形成有重要贡献,但不能对液态烃的成因作合理解释。

沃里沃夫斯基等提出了陆壳岩浆潜入式增长的超基性蛇纹岩底辟说。他们认为:陆壳的结晶部分不全是由高变质的层状结晶岩所构成,即在花岗岩(花岗片麻岩)与玄武岩中间夹有可塑性的超基性蛇纹岩。在地壳发展早期是双层结构,后来由于可塑性的超基性岩的挤入使上下层分离,并发生破裂,即所谓的“超基性蛇纹岩底辟说”。这种超基性岩在地球物理上的显著特点是低速、高导性。根据上述机理,上层的花岗岩(花岗片麻岩)呈不连续的断块似乎飘浮在这层超基性岩上。地幔脱气生成的CO2、CO、H2沿玄武岩的破裂带上升到超基性的蛇纹岩带,发生了著名的费-托合成反应。

事实上,费-托地质合成反应能否在地质条件下实现,困难主要在于催化剂、氢气和二氧化碳的来源问题。巴西石油地质学家Szartmari提出了在构造环境中的费-托地质合成说——即需有蛇纹石化产生氢、脱碳作用生成二氧化碳,还有费-托反应所需的500°C以下的温度。条件也许比较苛刻,但我们还是有可能找到具备这些条件的部位。目前看来,最适宜的部位是俯冲板块的接触带、蛇绿岩推覆体中、裂谷作用所薄化的地壳中。

两种学说沿着不同的脉络发展,诉说着自己的故事。而每一方也都有着坚定的支持者。无机成因说最坚定地说法是我有实验,而有机成因说则反击说:
我有实践!

2

质疑是从时间-温度公式——也叫柯南公式开始的。

蒂索及威尔特等人通过对生油母岩的热裂解试验,证实了在350°C高温条件下,干酪根可以逐渐裂解成烃类,从而建立了有机生油的理论基础。那么低温下这种转变是不是也能实现呢?实验室中一般在200°C以上才开始出现C10以上的烃类物质。所以蒂索自己也写道:“在实验室中必须增加温度以加快反应来缩短时间,但是目前还没有建立起比较坚实的基础,我们还不能够确定用什么样的时间—温度的关系”。

1974年由Connan提出的时间-温度公式可以说是恰逢其时,帮了蒂索的大忙:沉积有机质向油气转化的过程中,温度的确是最有效、最持久的作用因素,但是在反应过程中,温度不足怎么办?可以用延长时间来弥补!当然这种认识在地质界不算稀奇,构造变形中,时间也是一个重要的因素。然而质疑者指出,他只是把当时己经找到的油田,已知它的地温及地层年代,用统计的办法,把散点拟合出一个经验公式。这个公式仅仅用统计法表达了地温与年代的关系,并没有证明油气是按照这个规律生成的,就像李庆忠院士的质问:“鸡蛋在温度100°C煮4分钟就熟了,你把它放在20°C的环境里,放它一年,能不能熟呢?”是啊,能不能呢?没人回答。但并不妨碍时间-温度公式以后在烃源岩评价中的应用,尤其是后来苏联学者提出的时间-温度指数概念,用来研究盆地的热演化史,进行生油门限、最大排烃的研究等,而且从现在来看,效果还不错。

实际上,即使柯南公式在应用中问题不少,但是是否可以以此作为突破口,来否认已成体系的有机成因说,我觉得都为时尚早。魏格纳当年提出了大陆漂移假说,关于大陆漂移的方式,他认为是硅铝层在硅镁层上漂移。可是当时的地球物理学家杰弗里斯认为,无论是硅铝层还是硅镁层都是刚性层,两个刚性层怎么互相运动,这不符合常识啊。确实,关于这一点魏格纳错了,可是大陆漂移的认识并没有错。

3

一般而言,有机成因假说的提出主要有以下几个论据:

①石油馏分具有旋光性。生物有机质普遍具有这种旋光性,而无机质则普遍不具有这种旋光性;后来人们通过对碳质球粒陨石和地幔岩捕掳体中萃取的有机物质的研究,发现这些无机质同样具有生命物质具有的旋光性。也就是说,先前认为生命物质所特有的旋光性和生物标记物,其实在宇宙中普遍存在(不过我觉得还是最好说可能普遍存在),所以无机成因说的支持者说这些有机质的特性并非生命物质所特有。

②石油中相继发现了许多具有生物成因标志的有机化合物,如卟啉、姥鲛烷、植烷等;然而这些东西不仅在碳质球粒陨石中被发现,而且也出现在瑞典锡立延地区的超深井中。

③世界上99%以上的油气田都分布在沉积岩区,这些沉积岩中都存在富含有机质的细粒沉积物。但无机成因说认为,这些沉积盆地都对应着上地幔软流层隆起,上地幔软流层隆起愈高,则盆地的油气丰度愈大。这是因为上地幔软流层中有着丰富的地幔烃碱流体,其中的烃就是油气。

也正是因为这些发现,无机成因说似乎腰杆硬了很多——你原来认为是你特有的东西,原来不是那么特有嘛。但是仅仅通过这些就认为有机成因说是错误的,无机成因说就是正确的,显然从逻辑上还是远远不够的。就像如果发现了一个白乌鸦,你可以说“天下乌鸦一般黑”被证伪了,但是你不能说天下没有黑乌鸦了吧。

4

但是最近,有机成因说似乎终于迎来了致命的一击。这就是开篇提到的《证伪》。文章认为,有机成因说被热力学第二定律一票否决。

笔者认为,如果有机成因说真的违反了热力学第二定律,那它也真是死得其所了。但我们还是先看看《证伪》怎么说。

《证伪》说,2002年美、俄科学家在美国国家科学院院刊上合作发表了建立在近代原子和分子理论、量子统计力学和众数理论基础之上的化学热力学研究成果:热力学第二定律不支持石油有机成因,高压试验表明石油来自地球100km以下的深度。干酪根的成分和结构复杂,是一种高分子聚合物,它含有C、H、O、S、N等多种元素,没有固定的结构表达式。尽管这种不确定性,给人们对它的认识增添了诸多变数,但热力学第二定律还是从根本上否定了生命物质生成油气的可能性。

我们生活经验中以葡萄糖分子C6H12O6为代表的动植物分子是C-H-O体系,而石油分子是C-H体系。C-H-O体系的分子链越长,化学势越低、越稳定,而C-H体系的分子链越长,化学势越高、越不稳定。而所有生命分子的化学势(自由能)都低于甲烷的化学势,因而,从C-H-O体系自然演化到C-H体系的过程为热力学第二定律所禁止!

然而这并不是热力学第二定律第一次应用于地质学。

热力学第二定律在地质学上最著名的一次应用,是开尔文爵士对于地球年龄的一次推算。他从热力学第二定律出发,认为地球由一种炽热的状态,降温到目前的温度,时间不会超过4亿年,也就是说地球的年龄在4亿年以下(其实在他心里认为的只有几百万年)。当然他的科学预测比基督教根据圣经的计算,已经有了巨大的进步,但是结果还是错的。研究表明地球的年龄要比这大得多,目前的共识是大约是46亿年!

那么是热力学第二定律错了吗?显然不是。那么问题在哪?那是因为,任何科学定律都有它的适用条件。热力学第二定律是针对封闭的系统提出的,可是地球不仅不是封闭的,而是一个典型的耗散系统,而且是一个极其复杂、多层次的耗散系统。有着复杂的物质和能量的交换,既有和外部的,也有内部不同部位的。

根据普里戈金创立的耗散结构理论,对热力学第二定律作出了新的解释,指出一种远离平衡态的非平衡系统在其外参数变化到某一阈值时,通过系统与外界连续不断地交换能量流和物质流,系统可以从原来无序状态转变到空间、时间和功能上的有序结构,这种自组织的有序结构普里戈金称之为“耗散结构”。简而言之,在无序性状态中输入一个“负熵”即可获得有序结构。

是的,“从C-H-O体系自然演化到C-H体系的过程为热力学第二定律所禁止”,那么如果在一个耗散结构中,这一过程还一定为热力学第二定律所禁止吗?贝纳通流的形成仅仅需要一点热,无序就变成了有序;C-H-O体系如果能够获得一个“负熵”,难道就不会自然演化到C-H体系吗?

有时我们认为概率极小的事件,它确实也在发生着,如贵州平塘藏字石上由生物化石组成的字的痕迹,其形成概率大致不会大于一只猴子敲击琴键演奏出一段《小夜曲》吧。加拿大阿塔巴斯克河的石油沥青矿难道真的就不能用有机理论解释?我们还是不要忽视生命的的力量以及生命对于地球的巨大改造吧。就拿我们的大气来说,早期的大气组成与现在有着巨大差异,形成今天我们赖以生存的大气,生命起到了决定性的贡献,让我们向早期的蓝藻们致敬吧。

5

在地质学的发展史上,曾经有过三次大的科学论战。一次是著名的“水-火”之争,争论的焦点是地球上的岩石究竟是在各种盆地中沉积形成的(即“水成”)的,还是因为岩浆作用形成的(即“火成”的)。第二次是“渐变与突变”之争,即地质过程的发展究竟是如莱伊尔所说的那样以缓慢和渐变为主的,还是以快速和突变为主。第三次是固定论与活动论之争,讨论包括大陆和海底在内的岩石圈板块究竟是永久固定于地球坐标系中不变的,还是曾经和多次发生过大规模的水平漂移。

究其原因,这三次大的争论和其它一些更小型的争论类似,固然有历史局限的因素,更重要的是研究者都是从地质学的某一个角度或侧面出发,而未能将地球视作是一个有整体系统所致。结果虽各有所据,也各有所见,却不过是同一事物的不同侧面。

但是不幸的是,地质学上的争论常常从一开始就陷于“是此非彼” 的思维模式,进而由学术之争演化成了意气之争。近来石油地质界的有机无机成因说似乎再次陷入这一模式。

由于地质的时间尺度与人的生命周期之间严重不匹配,同时我们对于地球所了解的不深入,涉及到形成与演化的地质学的基础学说,大多处于假说阶段。地球已经有了46亿年的演化历史,人类的有文字记载的历史不过才几千年,现代地质学的诞生也才300年的时间。而地球又是一个极其复杂的系统,我们对它的了解实在是太少了。到目前为止,我们最深的井只有12000m,相比地球的半径而言小的可怜。现在的地球模型是通过地球物理研究间接建立起来的。关于地球圈层的划分,主要依据的地震波的速度资料,这个模型显然是简化了的。正是由于找油的需要,人工地震出现并广泛应用,尤其是后来的多次覆盖技术、三维地震技术,为地下的精确成像创造了条件。可是这种精确的成像一般只在沉积盖层效果较好,到了基地内幕大多变得不再可靠。同时由于缺乏直接的观测(井)的标定,我们即使对于上地壳的了解也是极其有限的,何况更深的地壳和地幔?俗话说上天容易入地难,此言不虚啊。

可是现代地质学的所有研究,所有争论却都是以此为基础的。有机成因说的目标是沉积盆地,如果按照无机成因的幔源气为目标的话,则是应该着眼于深大断裂。事实上关于断裂的研究,采用不同的技术差别很大,比如松辽盆地的有个重要的分界大断裂——滨州断裂,按照地质推测和重磁电的研究,都有一条这样的大基底断裂存在,而且目前看基本上油田都在这条断裂以南。可是地震搞了多年,并没有发现这样一条断裂,至少不像原来以为的那种规模、那种结构和特征。有时我不仅和自己开玩笑:我们现在提的所谓的地幔,所谓的软流圈,如果有一天我们发现它们根本就不存在,会怎么样?
前面说过,魏格纳的大陆漂移当时未能让人接受,就是因为他所提出的动力机制不能为人所接受。而板块学说的提出显然接受了教训,于是他们把目光向下看,而软流圈就成了板块构造的依托。岩石圈在软流圈上漂移,并在此基础上提出了一种传动带的模式,似乎一劳永逸了吧。可是威尔逊关于热点的解释,成功地证明了板块确实在移动,可是也使传动带模式大为尴尬,如果传动带的移动比它上面运载的物体移动还慢,这样合理吗?后来的地幔柱、地幔羽等学说无非是对传动带模式的修补,可是谁会有把握这些学说就是对的呢?

波普尔关于科学理论的划界,提出了一种证伪的标准。之所以提出这样的标准,就是因为现代科学更主要的建立经验的基础之上,结论只能是相对的,也就是对于人类而言恐怕是无法发现绝对真理的。当然会有人会觉得自己绝对真理在握,那是教徒,但科学不能,科学的发展必然会受到现实的限制,只是代表某一阶段的认识。就像开尔文关于地球年龄的推断一样,如果认识不到地球是耗散结构,那么依据的物理定律也会得出可笑的结论。

当前,即使是最顽固的有机论者或无机论者,都能够接受天然气的多成因的结论,为什么一涉及到油,又开始陷入那种非此即彼的思维怪圈了呢?

作者:寒武,原名杨懋新,就职于大庆物探

PS:本文为作者个人观点。欢迎投稿讨论。


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